讲解如何利用NT Native API获取NT系统的CPU使用率(支持多核)

[前言]

本文的目的不是贴代码,而是希望通过较浅显的文字,讲明白求解CPU使用率的方法.所以急功近利的人并不适合阅读本文.

[概述]

其实,获取Windows系统的CPU使用率已经是老问题了.大概是有以下几种方法:

1.查询注册表(HKEY_DYN_DATA),这个适用于Win9x,太老的东西,觉得现在基本没有什么必要再去了解它.

2.利用性能计数器(PDH)接口查询,支持NT系统,功能全面,用起来也方便,不过不是本文讨论的重点,只提一下.

3.利用Windows NT Native API(以下简称Native API,它们是ntdll.dll中的一些未公开API)来获取数据并计算CPU使用率.(本文主要讲它)

(也许还有其它的吧?...)

利用Native API来获取CPU使用率的方法,网上已有很多介绍的文章,也不乏代码.不过,现在双核(甚至更多)的CPU比较普及,然而网上的文章主要介绍了获取总的CPU使用率的方法,我却未找到关于怎样使用Native API来获取多核中每个单独核心CPU使用率的方法的相关文章.也许是我视力不好,没注意看到也说不定.

不能发扬"拿来主义",那就应该"自己动手",才能"丰衣足食".学习了前辈文章的一些方法,自己再仔细研究了Native API(对此有兴趣的朋友可以去读读<<Windows NT/2000 Native API
Reference>>),终于找到了支持多核的方法.在此拿出来和大家分享.

[什么是CPU使用率?]

首先,我要谈到一个概念:"什么是CPU使用率"(认为明白此概念的朋友可以跳过这节),为什么要强调它?是因为我发现有些人误解了这个概念,而这样的话,就不能正确地设计出CPU使用率的计算方法.我们在Windows的任务管理器中可以实时地看到CPU使用率,每1秒(默认刷新频率是1秒/次)都在变化,因而某些人可能就会误认为,CPU使用率是一个瞬时值,在任何一个时刻它都有一个值,那么这些人可能会说:"在5分12秒这一时刻,CPU使用率为10%."这样的话,那就错了!实际上,了解一点CPU工作原理的人应该知道,在某一个时刻,CPU只有一个状态:"工作"或者"空闲",即0和1,照前面的理解,岂不是使用率只有0%和100%这两个值了吗?显然不对.对CPU使用率的正确理解应该是:在某一个时间段(T)中,CPU总共工作的时间(W)占这个整个时间段的百分比.即W/T*100%.可以对这个公式变更一下,如果我们知道的是这个时间段中CPU的空闲(没有工作)时间(I),那也可以通过(T-I)/T*100%或(1-I/T)*100%来算出CPU使用率.因此,正确的说法应该是:"在5分12秒到5分13秒这1秒钟内,CPU使用率为10%."这样理解就对了!

[CPU使用率计算公式]

通过了对CPU使用率这一概念的认识和理解,我们能得出CPU使用率的计算公式如下:

T:某个时间段(就是要计算这个时间段的CPU使用率)

W:在这个时间段中CPU处于工作状态的时间

I:在这个时间段中CPU处于空闲状态的时间

CPU%=W/T*100% 或

CPU%=(T-I)/T*100%

显然,只要知道了上面公式中的相关因素(T和W,或者,T和I)的值,就能计算出CPU使用率.

[代码相关说明]

因为最近工作中都在使用Delphi(跟VC比的话,用着确实舒服,个人感觉),下面就以Delphi代码简要说明使用Native API求解CPU使用率的过程.主要用到NtQuerySystemInformation函数,以及一些相关枚举/结构等,具体的声明/定义略掉,因为这些都能很容易在网上或书上(<<Windows
NT/2000 Native API Reference>>)找到,因此就不写在这里占据篇幅了.

先简单列出会用到的相关函数/枚举/结构等.

函数:NtQuerySystemInformation

枚举:SYSTEM_INFORMATION_CLASS

结构:SYSTEM_BASIC_INFORMATION

SYSTEM_PERFORMANCE_INFORMATION

SYSTEM_TIME_OF_DAY_INFORMATION

SYSTEM_PROCESSOR_TIMES

[计算总的CPU使用率]

还是先说怎么求总的CPU使用率.因为前面已经提到,这个在网上已经讲得很多了,但为了本文的完整性,这里就再COPY一下前辈们的知识,当然也有一些自己的补充和完善.

通过Native API我们可以获取到公式中的T和I,方法分别如下:

{下图描述了10秒之间的情况,-表示空闲,+表示工作,每个符号的时间单位为1秒}
|========++| {CPU核心1,I1=8秒}
|======++++| {CPU核心2,I2=6秒}
{说明:两个CPU核心并行工作,实际经历了"两份"时间,I=I1+I2.}
|==========| {系统时段,T=10秒}
{说明:而记录的系统时段只有"一份",所以需要修正,乘以CPU核心数量}

那又该怎么获取CPU核心数量,依然使用Native API,如下:

{前提:先获取CPU核心数量N,因为下面需要用到.}
var
i: Integer;
spt: array of SYSTEM_PROCESSOR_TIMES; {这个数组对应多个CPU核心的相关数据}
begin
SetLength(spt, N); {根据CPU核心数量N分配数组空间}
NtQuerySystemInformation(
SystemProcessorTimes,
spt,
SizeOf(SYSTEM_PROCESSOR_TIMES),
nil
);
for i := 0 to N - 1 do
begin
{通过分析数据得知:
spt[i].KernelTime,spt[i].UserTime,spt[i].DpcTime和spt[i].InterruptTime的总和为累计系统总时间.
stp[i].IdleTime为CPU运行的累计空闲时间.
因为也是累计时间,所以同样要使用"T=后-前"来计算.}
end;
end;

最后代入公式就能计算出每个CPU核心的使用率,再设计循环过程(或使用TTimer),就能获取实时使用率了.

[性能计数器PDH]

如果直接使用性能计数器(PDH)接口来查询CPU使用率,是很方便的,所用到的查询串分别如下:

'/Processor(_Total)/% Processor Time' 用于查询总的CPU使用率.

'/Processor(%d)/%% Processor Time' 用于查询单个核心CPU使用率.

用PDH还可以查询到更多的系统数据,比较全面.至于PDH的具体用法,就不再此多说,网上有,也可以查看MSDN,这里则点到为止.

[最后]

本文完,最后留给大家的,应该是更多的"理解"和"实践",希望能对大家有所帮助,目的则是共同进步.

以上方法目前仅在Windows XP (SP3)单/双核系统中测试通过,大家也可以试试其它环境.

有空了我再补上Demo代码,方便大家学习和使用.